电源转电时负载管理中心配电断开故障分析

王元君，韩先德

（1.中国直升机设计研究所，江西景德镇，333000；2.汉中一零一航空电子设备有限公司，陕西西安，710000）

由于近代直升机越来越依赖电气设施，所以这些年来直升机电气系统取得了重大的进展。这些发展与“多电飞机”和“全电飞机”概念有关[1]，这一概念试图将直升机上更多的系统工作归到用电的方法来实现，电气负载管理中心（ELMC）加入直升机电气系统，使直升机上的所有负载都以一种精确的智能方式控制，飞行员不需要对所有的负载一个个地进行控制，只需要发出直升机的当前飞行阶段和一些控制指令，自动配电系统会根据直升机的飞行状态和电源情况自动管理直升机电力系统和各个负载。

自动配电与常规式或遥控式配电系统相比，自动化程度高，且配电系统的体积重量大大减小，并且由于其具有自检测（BIT）功能，飞机的维修性更好。SSPC的保护动作响应迅速，故障保护特性符合I2t反延时保护规律；由于SSPC内部采用固态功率技术，没有机械触点等活动部件，因此通断时无电弧和烧蚀现象，抗振性能优；SSPC利用固态传感装置对电流进行直接检测，不是基于热特性进行保护，保护时间精度更高[2]。负载管理中心作为自动配电系统的核心技术，能根据飞行员指令对负载进行加卸载，负载管理中心的可靠性是直升机自动配电系统配电综合处理的关键。

尽管在供电系统和电子设备中增加了辅助电路如储能电容等，来减少转电时电子设备不正常工作的事件发生，但因转电时电源中断导致电子设备不正常工作的事件仍有发生，因此不中断供电也是自动配电系统一项技术挑战。自动配电系统作为机上配电系统，既是用电设备又是供电设备，自身既要具备转电不间断工作，又要保证SSPC配电通道在转电过程中正常工作，配电系统转电过程中不间断工作是保证直升机的供电裕度、可靠性和安全性的必要条件。

1 背景

自动配电技术以及固态功率控制器件已经相当成熟，并运用到包括直升机的各种有人和无人飞行器中，用于对负载的精准控制，可视性操作和实时性反馈都比常规配电大大提高。负载管理中心对电源特性和负载特性的反应也更加灵敏,元器件性能指标的匹配性成为设计和试验的重要考核项目。

某型直升机供配电网络主要由三大部分组成，分别是供电网络、负载管理中心（ELMC）、供电处理机组成，如图1所示。

图1 供配电原理框图

机上电源AC115V、DC28V输送给ELMC，作为ELMC的工作电源及后端负载配电功率电源。ELMC根据供电处理机的RS422总线控制命令控制SSPC通断，完成后端负载配电的接通和断开的控制。

当机上出现转电时，由于配电盒中接触器固有吸合、断开动作特性，导致供电网络输入至ELMC的DC28V和AC115V电源会出现短暂的断电现象（掉电时间不大于40ms），国军标要求电源转电时间不大于50ms[3]。由于ELMC具备50ms以内断电持续工作的能力，故而在此期间能正常工作，输出的功率配电电源与输入电源一致（40ms以内的短时掉电），由于机上用电负载同样具备50ms以内断电持续工作的能力，故在50ms以内的电源转电过程中，机上用电设备可以保证正常工作。

2 故障现象与定位

■ 2.1 故障现象

某型直升机在外厂地面转电过程中，出现多路负载短时掉电重启现象。

■ 2.2 故障定位

根据故障现象并结合机上配电原理建立故障树T1，如图2所示。

图2 故障树

根据故障树进行故障逐一排查，搭建测试平台模拟机上转电环境，对供电处理机软件输出控制命令建立数据监测点，当模拟机上环境进行转电控制时，供电处理机未发出异常控制指令；对负载管理中心机上软件状态进行检查，结果为正常；将机上负载管理中心拆下，对其主控板电路进行检查，结果为正常（具体检测内容：数据通信、逻辑处理等功能），对其板级控制器电路进行检查，结果为正常（具体检测内容：数据通信等功能），对其SSPC模块电路进行检查，结果为正常（具体检测内容：数据通信、负载通断控制等功能）。

对机上后负载管理中心的汇流条电源输入（直升机电源系统输出）和后端负载配电输出建立检测点（这里随机选择一路转电时掉电重启的配电输出通道），测试其转电过程中的电压变化，其结果如图3、图4所示。

图3 汇流条电压变化

图4 配电输出通道电压变化

根据转电过程中测试电压显示，黄线为后负载管理中心的汇流条电源输入电压，绿线为后负载管理中心后端负载配电输出电压，汇流条输入电压在转电过程中掉电时间小于30ms，此现象正常，可证明机上供电网络工作正常，配电输出通道电压在转电过程中掉电时间为1.5s左右，此现象异常，可初步判断机上用电设备短时掉电是由于负载管理中心输出电源在转电过程中出现大于50ms的电源掉电现象引起的。

对图1中负载管理中心电源电路分析发现，其主要包含两个模块，分别是电源维持模块和电源转换模块，其功能及性能指标如下：

（1）电源维持模块：实时监控负载管理中心的功率汇流条上的输入电源，当发现其电压大于放电阈值(18V±1V)时,则将功率汇流条上的电源输出给电源转换模块，并同时给自身电容储备电能；当发现其电压小于放电阈值时，则停止将功率汇流条上的电源输出给电源转换模块，将自身储能电容的电能释放输出电源转换模块（满能量的储能电容可以瞬间释放35V±1V（2A）的电源，并随时间的变化，输出电压逐渐降至0V，其中35V-0V的时间不小于60ms）；

（2）电源转换模块：将来自电源维持模块的电源转换为5V±0.1V的内部电源，用于产品正常工作，其输入电源的转换范围为18V～36V。

根据上述特性，搭建测试平台模拟机上转电环境，对负载管理中心（厂内同批次的库房产品）电源维持模块的输出及电源转换模块的输出（5V工作电源）建立测试点，测试电源维持模块和电源转换模块在转电过程中的电源输出状态，结果如图5所示。

图5 电源维持模块电源输出状态及电源转换模块电源输出示意图

如图5所示，黄线为电源维持模块输出，绿线为电源转换模块输出，其转电过程中变化如下：

（1）电源维持模块输出的电源电压随着外部输入电源电压降低而降低，当降低至18V时，未能及时将输出电源由外部电源切换至内部储能电容的电源，导致其输出电压持续降低至18V以下，当输出电压降至17V左右时，其电压瞬间上升至36V左右（此时将外部电源切换至内部储能电容的电源），10ms后，输出的电源电压重新降低至18V以下，持续时间为30ms左右，然后上升至35V左右缓慢放电。

（2）电源维持模块输出的电源电压低于18V时，电源转换模块输出的5V电源迅速降低至0V（电源输入不满足正常转换范围导致其输出异常），持续时间为50ms左右，电源维持模块输出的电源大于18V时，且持续时间大于10ms（产品内部电源建立时间），输出电压为5V。

对上述检测结果分析可知，由于电源维持模块的放电阈值为17V左右（符合放电阈值18±1V的要求），而电源模块的正常工作范围为18V～36V，因此当外部输入电源低于18V时，电源维持模块由于其电压依然大于放电阈值（17V左右），未能及时将电源输出由外部电源切换至内部储能电源的电源，导致电源转换模块在输入电源低于18V时无法输出有效的5V电源，引起负载管理中心掉电，SSPC模块关闭配电通道，导致机上后端负载掉电。故可以确认故障D3。

故障发生后，电源维持模块厂家对公司内库存产品进行检查，发现放电阈值低于18V的电源维持模块的同批次产品皆出现此问题。

综上所述，由于当前批次的电源维持模块的放电阈值低于18V，与电源转换模块不匹配，导致ELMC在机上转电过程中，电源维持模块无法在输入电源低于18V之前将电源输出由外部电源切换至内部储能电容电源，造成电源转换模块在输入电源低于18V时，无法正常输出5V有效电源，引起负载管理中心掉电，SSPC模块关闭配电通道，引起后端负载掉电。

3 机理分析

电源维持模块的放电门限电路主要由比较器U4，信号管Q2，及阻容器件组成，如图6所示，输入电压在放电阈值电压值以下时，比较器U4输出高电平，驱动放电开关打开，实现储能电容放电并同时禁止升压电路给储能电容充电，将电源输出由外部输入电源切换为内部储能电容电源；输入电压大于放电门限电压值时，比较器U4输出低电平，放电开关关闭，储能电容不会进行放电，同时升压电路会持续工作保持储能电容充满电，输出电源由内部储能电容电源切换至外部输入电源。

图6 放电阈值控制电路

当放电阈值设置偏低（低于18V）时，导致外部输入电源低于18V时，无法及时将电源输出由外部电源切换至内部储能电容电源，给电源转换模块输出的电源低于18V以下，然而电源转换模块在输入电源低于18V时，由于其不满足正常转换范围（18V～36V），导致无法正常输出5V电源，引起负载管理中心掉电，SSPC模块关闭配电通道，导致后端负载掉电。当外部输入电源恢复正常时（转电完成），电源维持模块电源输出为外部输入电源（28V），电源转换模块正常输出5V电源，此时产品正常上电，由于供电处理机在负载控制命令未发生变化时，控制命令的发送周期为1s（2个RS422总线通信周期），故负载管理中心接收到控制接通指令时间最长为1s后。由于负载管理中心内部控制指令的传输需要经历2级总线通信网络（主控板->负载控制器->SSPC模块），其总线通信周期为500ms，结合产品软件上电工作时间不大于300ms，故SSPC接收到来自供电处理机的控制接通指令时间最长为1.8s，故产品在上电后1.8s内控制SSPC模块配电通道接通，完成负载配电，所以机上负载断电后，1.5s后重新上电属于正常现象。

4 改进措施

(1)修改对此电源维持模块的放电阈值误差要求，由18V±1V改为18+2V，提升性能指标的匹配度；

(2)相关入厂验收文件中增加对电源维持模块的功能、性能二次筛选；

(3)产品工艺文件中增加对50ms以内供电中断后的正常工作的板级验证（电源板）性能要求；

(4)产品规范及试验大纲中，在小组验收、军检验收中增加产品50ms以内断电的正常工作性能测试。

5 结束语

转电过程是直升机的重要的供电特性，国军标要求供电系统的转电时间应不超过50ms，同时要求机载产品具有转电时不间断工作的能力。这就对供电系统和用电设备提出了转电时不间断工作的要求。在元器件的选择和匹配上技术指标要清晰准确，增加元器件入厂后相关技术指标的二次筛选和验证，产品板级试验要包含转电试验验证满足转电要求。对元器件更换批次或厂家后，要严格入厂验证以及产品验证。保证不同批次和厂家的元器件不会对设备功能性能产生影响。